一种自适应的四轴飞行器PID控制算法Word文件下载.docx
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四轴飞行器;
PID控制；
MPU6050
中图分类号:
TP273 文献标识码:
A 文章编号：
2095-4565（2020）01-0005-05
AnSelf-adaptivePIDControlAlgorithmofFour-axisAircraft
LIWei.QIUXia*,XUDeli
（SchoolofElectricalandElectiunicInformationEngineering,HubeiR）lyteclmicUniveraity,Huan^hiHubei435003）
Abstract：
ThecurrentPIDcontrolalgorithmadoptedbyfouraxisaircraftiseasilyaffectedbytheenvironmentduringthecontrolprocess,whichleadstothegreatcontrolefifectdifferencebythesameparameterinthedif ferentenvironmentsandfailstosatisfythediversitydemandofdifferentindustries.ThispaperdesignsandoptimizesthewindtunnelexperimentverificationandalgorithmstructurebycomparingthesingleloopPIDanddoubleloopPID.Anself-adaptivePIDcontrolalgorithmofsingleanddouble-loopparalleladjustmentforthefour一axisaircraftisdesigned,whichenhancesthefour一axisaircraftsadaptationforenvironmentandimprovestheflyingeffectandstability.
Keywords：
four-axisaircraft;
PIDcontrol;
四轴飞行器因具有飞行性能良好、造价低的优点，被广泛应用于地质测绘、无人航拍等领域。
四轴飞行器以PID控制算法为主，但PID参数的调节易受环境影响，远不能满足不同行业的差异化需求⑴。
例如：
在PID参数保持不变的情况下，当挂载重量为100g时，飞行器飞行稳定；
当挂载重量为200g时，飞行轻微不稳定；
当挂载重量为300g时，飞行极其不稳定。
因此，需要重新调整PID参数，以适应不同的载重需求，确保飞行器稳定飞行。
针对以上问题，提出了一种自适应的四轴飞行器单双环并行调节的PID控制算法，具有成本低、实时性强、数据处理率高的优点。
1四轴飞行器硬件平台的搭建
四轴飞行器实物图如图1所示，主要由机体、电机、集成电路板和遥控器4个部分组成。
电机包括4个无刷电机，分别固定于机体的4个角部上，电机输出轴上均安装有螺旋桨叶片，对角的螺旋桨叶片旋转方向一致，相邻的旋转方向不同。
集成电路板上的集成飞行控制系统固定在机体上，包括三轴陀螺仪、三轴加速度传感器、数字气压传感器、GPS定位模块、超声波模块、无线模块和电子调速器。
遥控器通过无线模块与飞行控制系统实现通信连接。
图1四轴飞行器实物图
四轴飞行器通过MPU6050传感器获取飞行器的姿态数值⑵，由无线接收机获取遥控指令，经主控芯片进行数据处理并输出PWM波控制电机转动实现飞行[3-*]o在飞行过程中通过实时改变4个电机的转速配比，实现四轴飞行器上升、下降、悬停及向前、向后、向左、向右等不同姿态的飞行。
传感器在使用过程中会受到各种因素的干扰，从而导致经PID控制算法处理后的输出数据发生突变，所以传感器的输入数据必须保证平滑。
因此，采用限幅滤波与低通滤波相结合的滤波方式来消除干扰。
2PID控制算法的设计
2.1PID控制算法简述
PID控制算法的实质是根据输入的偏差值,按照比例、积分、微分的函数关系进行运算，运算结果用以控制输出⑸。
PID控制算法公式如下：
y=Pxe（i）+/x^e（k）+Dx[e（i）-e（」l）]
（1）
式
（1）中，e（）为目标姿态与实际测量姿态之差涌为PID控制次数；
丫为PID输出；
P为比例调节参数，对偏差做出即时反应，即偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用使被控量朝着减小偏差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数的大小；
I为积分调节参数，只要偏差不为零，输出就会随时间不断变化，以减小偏差，直到消除偏差，不再起控制作用，系统达到稳态；
D为微分调节参数，调节偏差变化快慢，变化越快，反对作用越强，微分作用有助于减小超调，抑制振荡，让系统趋于稳定。
2.2PID控制算法参数的设计
四轴飞行器的控制算法采用单环PID控制算法与双环PID控制算法2种方案。
2.2.1单环PID控制算法
只对四轴飞行器进行角度测量，构建单环PID控制算法，其输入为X,k,Z三轴的角度，输出为控制4个电机转速的4路PWM波。
单环PID控制示意图如图2所示。
其中，0（礼y,z）为期望角度;
0（x,y,z）measure为测量角度；
'
为输出4路PWM波；
e（幻为第&
次期望角度与测量角度之差。
PID控制调节理想波形如图3所示。
图3PID控制调节理想波形图
通过将反馈回来的姿态角度与姿态期望角度进行对比，以修正四轴飞行器的飞行姿态期望角度，实现平稳飞行。
通过调节PID控制参数，进行飞行测试并记录实验数据。
单环PID控制算法的参数较优值与飞行效果见表1。
表1单环P1D控制算法的参数较优值与飞行效果
参数就值
临瞬
P
/
D
1.80
0.09
5.90
保持基本平稳，般向Y方喝移滩以控制
1.65
雉以平稳,般向Y方向漂移，斟滩以蝴
1.95
难以平稳，调节过激版斜明显，飞行时间很短
由表1可知，采用单环PID控制算法在对四轴飞行器进行飞行姿态调节时存在2个问题。
1）即使采用最优PID参数，其实际飞行效果仍然不佳。
2）飞行器飞行效果对P1D参数极为敏感,仅参数P值波动±
8.3%时，飞行效果就相差极大。
2.2.2双环PID控制算法
双环PID控制示意图如图4所示，分为角度PD环和角速度PID环。
角度PD环的输出作为角速度PID环的期望输入⑹。
其中，侃（幻为三轴期望角度;
。
（幻为三轴反馈角度;
饥0）为三轴期望角速度；
/（*）为三轴反馈角速度M为PID调节次数；
输出为4路PWM波。
实际测试的双环PID控制算法的参数较优值范围见表2。
图4双环P1D控制示意图
表2双环PID控制算法的参数较优值范围
参数
内环
外环
±
15.6%
13.7%
25.1%
23.3%
15.3%
注:
表中百分比范围是相对于上述飞行效果最优时对应环的PID参数而言，且每次仅改变1个参数，其他参数仍为最优值。
采用双环PID控制算法时，四轴飞行器在飞行过程中十分平稳，即使没有进行定高飞行，飞行器依旧能悬停空中。
在前、后、左、右控制过程中，飞行器反应灵敏，同时在停止方向控制后经过较短时间，飞行器也会悬停。
2.2.32种控制算法的对比分析
从飞行效果上看，方案1（单环PID控制）的预期飞行效果是在发生姿态偏离正常稳定飞行状态时，飞行器能够快速进行姿态修正，保持平稳的飞行状态。
但实际情况是即使在最优PID参数下，其飞行姿态也只能勉强朝一个方向倾斜，无法保持平稳的飞行状态。
而方案2（双环PID控制）不仅做到了平稳起降、易于控制，且在空气气流稳定时能够实现空中悬停，飞行效果远优于方案1。
从参数较优值范围上看，在方案1中仅参数P值变化了±
8.3%时，飞行器就已经无法正常飞行，而方案2中最小的参数变化范围为±
13.7%，此时飞行器仍能平稳飞行，方案2的参数较优值范围远大于方案1。
通过对比分析可以发现，单环PID控制算法的参数调节不够迅速，只有当飞行器倾斜到一定角度时，飞行器才能作出反应；
当飞行器倾斜角度较小时，调节无力，倾斜角度较大时反应过激，飞行不稳。
而双环PID控制算法以角度调节作为外环，角速度调节作为内环，外环的角度输出作为内环角速度的期望输入。
当飞行器朝X轴正方向倾斜，经过角度环PD控制器调节，其输出的角速度期望为X轴负方向，使已经朝X轴正方向倾斜的飞行器具有X轴负方向的角速度，以解决飞行器飞行状态调节不够迅速的问题，确保飞行器能稳定飞行。
2.3PID控制算法结构的设计与优化
控制算法的控制效果是由算法结构决定的，并非由单纯的PID参数决定，因此控制算法设计的核心是算法结构的设计。
算法结构的调整可以解决同一算法体系的适用性问题。
要实现飞行器在挂载不同重物时依旧能稳定飞行的目标，可以通过优化算法结构完成。
2.3.1实验验证
选择风洞作为实验对象，进行验证性实验。
自制简易风洞结构⑺由超声波测距传感器、透明圆筒、乒乓球、连接部和风机5个部分组成。
风洞结构示意图如图5所示。
图5风洞结构示意图
丫_「Pixe（k）,le（幻I<
a\_P2xe（A）,\e（k）INa
通过超声波测距实时反馈数据，单片机发出PWM波控制电机转速来实现小球悬停在指定高度。
在实验过程中将乒乓球的悬停高度类比于飞行器的不同载重，PID参数的取值范围类比于系统对不同环境的适应能力，对同一硬件系统设计2种控制算法进行测试。
控制算法1:
采用普通单环PID控制算法结构控制乒乓球悬停在圆筒中指定的位置高度。
普通单环PID控制算法见公式
（1）。
控制算法2：
提出1种改进型的单双环PID控制算法，控制乒乓球悬停在圆筒中指定的位置高度。
改进型单双环PID控制算法见公式
（2）。
Lx£
e（幻，le（幻I<
b
（2）
&
x£
e（A）,6wle（幻I<
c+Qx[e（幻-e（A-l）].0,cWIe（k）I
式
（2）中,P,,P2均为比例调节参数，且为常数法飞为积分调节参数，L为常数，匕=[c-le（A）l]/（c-fe）,此处匕随"
（幻I增大而减小;
D为微分调节参数;
e（幻为期望高度与实际高度的差值;
*为PID控制次数;
a,b,c均为范围常数，的取值通常为maxfle（幻1|的
备喘,其中8小于5的取值，通常为maxIle（&
）11的§
~y0
在式
（2）中，比例调节和积分调节的调节强度均随期望误差e（时的变化而变化，有利于减小调节波动，突出比例调节和积分调节各自的特点，其中比例调节有利于使控制指标快速达到期望值附近，但不利于最大程度上消除期望误差e（A）;
积分调节有利于最大程度上消除期望误差e（幻，但不能使控制指标快速达到期望值，且在期望误差e（幻较大时，极易过调。
2种PID控制算法的调节波形图如图6所示。
由图6可以发现，在最优参数条件下，改进型单双环PID控制算法相比于普通单环PID控制算法而言，调节时间更短，波动更小，由此再次验证了算法结构对控制效果的影响显著。
改变目标高度，再次进行实验。
目标高度改变时,2种PID控制算法调节情况见表3。
图62种P1D控制算法的调节波形图
表3
目标高度改变时2种PID控制算法调节情况
目标高度
/cm
达熊定时间/$
首次波动超调Mon
普通P1D
魏型PID
改进型
10
3.12
0.97
2.3
1.1
15
2.46
0.83
4.6
1.4
20
114
0.85
7.4
2.1
25
4.25
0.86
11.3
2.6
30
5.26
1.14
撞顶
实验数据均为多次测量取平均值。
根据表3中数据，可以得出以下结论。
1） 改进型单双环PID控制算法调节过渡时间少于普通单环PID控制算法。
2） 随目标高度变化，PID调节的过渡时间均有所变化，但改进型单双环PID控制算法的调节过渡时间及波动超调量均小于普通单环PID控制算法。
3）在小球高度最低和最高时，调节过渡时间明显大于中间位置，且在中间位置高度较低时，调节过渡时间最短。
取目标高度为20cm,在保证调节过渡时间不超过4s的前提下不断地改变PID参数进行实验,2种PID控制算法的参数较优值范围见表4。
表42种PID控制算法的参数较优值范围
算法
较优值范围
P /
-20%-+35%-8%-+12%
・14%~+23%
改进型P1D
-37%~+128%-11%~+22%
-27%~+48%
注;
表中百分比范围是相对于上述飞行效果最优时对应环的PID参数而言，且每次仅改变1个参数，其他缄仍为最优值。
由表4中的数据可以发现，改进型单双环PID控制算法的参数较优值范围比普通单环PID控制算法的要大。
这说明在不同的环境中，改进型单双环PID控制算法的适应性更强。
2.3.2结构优化
针对四轴飞行器的飞行特点，设计一种单双环并行调节的PID控制算法。
该控制算法在飞行器的X,Y轴采用双环PID控制算法,Z轴采用单环PID调节。
同时，将式
（2）中的改进型单双环PID控制算法用于四轴飞行器X,F轴的内环调节中，其外环为PD结构不变。
单双环并行调节的PID控制算法的参数较优值范围见表5。
在参数较优值范围内，飞行器飞行十分平稳,在前、后、左、右控制过程中，飞行器反应灵敏。
表5单双环并行调节的P1D控制算法的参数较优值范围
-25.3%-+35.1%
-24.6%-+23.5%
-33.2%-+41.2%
-33.2%-+41.2%
-23.3%-+25.7%
-19.3%-+21.3%
在参数最优值的条件下进行四轴飞行器的载重实验。
载重实验结果见表6。
表6载重实验结果
挂载质量/g
飞行效果
颠P1D
单双环并行调节PID
100
稳定
200
轻微抖动
300
剧烈抖动
400
无法飞行
由表6可以看出，当采用单双环并行调节的PID控制算法时，四轴飞行器基本上均能保持稳定飞行，可以适应不同的载重需求。
这说明改进PID的算法结构可以大大提高控制效果，增强PID控制的稳定性。
3结论
提出了一种自适应的四轴飞行器PID控制算法。
该算法集各姿态控制器为一体，采用单双环并行调节的PID控制算法，结构简单,所需数据少。
与传统的使用MPU6050、电子罗盘等多种模块的四旋翼飞行器相比，该控制系统仅使用MPU6050模块，在保障抗干扰能力和恢复平衡速度相同的情况下，成本更加低廉。
同时,该算法使用限幅滤波与低通滤波相结合的滤波方式,提高了数据的实时性和数据处理的效率。
参考文献
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].沈阳工程学院学报（自然科学版）,2019
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（责任编辑王书）
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